基于TMS320F28027光伏逆变器的研究与设计

【摘要】：随着世界经济的高速发展以及化石能源的枯竭，能源的短缺和环境污染成为制约经济发展的主要因素。世界各国为寻求可持续发展的经济，投入大量的人力和物力来探索可再生的新能源。在各种新能源如风能、太阳能、地热能、海洋能、核聚变能、生物质能以及水能中，太阳能以其取之不尽，用之不竭，分布广泛，安全清洁等优点，成为世界各国研究的方向。在太阳能的开发过程中，如何将光伏电池板的低压直流电能高效的转化为市电，降低光伏发电逆变器的成本，成为推进光伏发电市场化的关键。因此加大投入对太阳能的研究具有重大的理论实际意义。 本论文以两级光伏变换器为研究对象，采用高性能数字信号处理芯片TMS320F28027为控制芯片，分析了前级DC-DC部分利用三相变压器的思想应用于直流变换中新拓扑的工作原理和逆变部分的工作原理，并建立了两级变换器等效的数学模型，运用适当的控制策略，对电路进行仿真的研究，然后利用电力电子技术DSP技术以及C语言代码的编写通过搭建实验样机，验证了光伏逆变器的实用性。 首先介绍了光伏发电系统的原理，然后针对市场上的光伏逆变器产品对其进行分类，总结分类为中间直流母线功率解耦、直流输入端功率解耦、以及无功率解耦环节。并简单分析了它们的工作原理和各种拓扑的优点缺点。由此针对本设计要求选择了适合的拓扑和控制方式，详细介绍本设计系统的工作原理。 根据光伏电池的输出特性，通过分析比较光伏逆变器MPPT实际工作中采取的控制算法的优缺点，提出本课题采取的变步长的控制算法。通过建立数学模型利用仿真软件matlab进行仿真，得到了比较好的仿真波形。本课题研究的光伏逆变器分为两级变换。根据系统的工作原理分析分别建立了两级系统的小信号模型，并通过matlab在频域内进行仿真。验证了所采取方法的可行性和合理性。 基于以上的理论，详细介绍了系统硬件的具体参数和选择的方法，重点介绍了主电路、采样电路、控制驱动保护电路的原理。最后编写控制芯片的软件部分，并对系统进行调试并捕捉下关键点的信号波形。实验的结果是可以输出稳定的正弦波并且其电流波形的畸变率小。 论文最后总结了本课题研究的成果和提出了仍然存在的问题，对以后的工作做了展望。 【关键词】：光伏逆变器 电路拓扑 MPPT TMS320F28027
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TM464
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-9
• 第一章 绪论9-12
• 1.1 本课题研究的背景及其意义9
• 1.2 国内外光伏逆变器的研究现状和发展趋势9-10
• 1.3 本课题研究的内容10-12
• 第二章 光伏逆变器的原理与控制方法12-38
• 2.1 光伏发电原理12
• 2.2 太阳能光伏发电系统的分类和组成12-14
• 2.3 光伏逆变器的基本拓扑结构14-27
• 2.3.1 中间直流母线功率解耦的高频链逆变器14-19
• 2.3.2 直流输入端功率解耦的高频链逆变器19-23
• 2.3.3 无功率解耦环节高频链逆变器23-27
• 2.4 本课题设计的光伏逆变器的系统结构和工作原理27-37
• 2.4.1 DC-DC前级直流部分的工作原理27-34
• 2.4.2 DC-AC逆变部分的控制原理34-37
• 2.5 本章小结37-38
• 第三章 光伏逆变系统的最大功率跟踪38-44
• 3.1 光伏太阳能电池板38-40
• 3.1.1 光伏太阳能电池的等效电路及数学模型38-40
• 3.2 最大功率点跟踪原理40-41
• 3.3 本课题采取的MPPT控制算法41-42
• 3.4 MPPT仿真分析42-43
• 3.5 本章小结43-44
• 第四章 光伏逆变器的建模和控制策略44-54
• 4.1 DC-DC变换器44-50
• 4.1.1 DC-DC变换器拓扑的建模44-48
• 4.1.2 DC-DC变换器拓扑的控制策略48-49
• 4.1.3 DC-DC变换器的仿真49-50
• 4.2 DC-AC逆变部分50-53
• 4.2.1 DC-AC逆变器的数学建模51-53
• 4.3 本章小结53-54
• 第五章 光伏逆变器的硬件设计和软件设计54-73
• 5.1 系统硬件电路设计54-67
• 5.1.1 前级和后级开关管选择55
• 5.1.2 辅助电源电路设计55-57
• 5.1.3 采样电路57-58
• 5.1.4 变压器设计58-60
• 5.1.5 整流二极管的选择60
• 5.1.6 谐振电感、直流电感和交流电感的设计60-67
• 5.2 系统的软件设计67-72
• 5.2.1 DSP系统资源配置67-68
• 5.2.2 主程序流程图68
• 5.2.3 中断服务程序68-70
• 5.2.4 子程序70-72
• 5.3 本章小结72-73
• 第六章 系统调试及其实验结果分析73-78
• 6.1 实验结果与分析73-77
• 6.1.1 硬件调试73-76
• 6.1.2 控制系统的软件开发环境76
• 6.1.3 软件调试76-77
• 6.1.4 结果分析77
• 6.2 本章小结77-78
• 结论与展望78-79
• 参考文献79-82
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果82-83
• 致谢83-84
• 附录84

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